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1、化工原理课程设计设计题目：乙醇精馏塔姓名：王红梅班级：化学与化工学院07级2班学号：070702004指导教师：任根宽张燕八 前言精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主 要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分 不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔 顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离 的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏 塔中，其余
2、的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发 后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温 度，达到分离提纯的目的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化 工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各 种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发 度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，
3、因此可使 混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有 若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入 上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再 沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题 进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算一一物料衡算、热量衡算、工艺 参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，
4、辅助设备的选型，工艺流程图，主要 设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物 性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。目录一、绪论51.1 课程设计的目的51.2 设计依据51.3 设计内容及任务61.3.1 设计题目61.3.2 设计任务及条件：61.4 设计内容：61.5 设计成果6二、塔的工艺计算62.1工艺过程62.1.1物料衡算62.1.2理论及实际塔板数的确定72.1.3塔的结构的设计92.1.4精馏塔塔径的计算92.2塔板主要工艺尺寸的计算162.2.1溢流装置计算162.2.2降液管172.2.3塔板布置17三、流体力学验算1
5、93.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）193.2液泛验算193.3.雾沫夹带验算203.4液体在降液管中的停留时间213.5操作性能负荷图213.5.1气相负荷下限图（漏液线）213.5.2过量液沫夹带线213.5.3液相负荷下限线223.5.4液相负荷上限线223.5.5液泛线22四、设备的计算及选型244.1冷凝器负荷244.2再沸器热负荷25五、浮阀塔工艺设计结果25六、精馏塔设备设计276.1 精馏塔塔体材料、内径、壁厚和强度校核276.1.1 精馏塔塔体材料的选择276.1.2精馏塔的内径276.1.3壁厚的计算276.1.4强度校核286.2封头的选型依据，材料及尺寸规格28
6、6.2.1 封头的选型依据286.2.2封头材料的选择286.2.3 尺寸规格296.2.4 封头的高296.2.5 封头的壁厚296.3 精馏塔的塔板类型选择296.4 塔板结构及与塔体的连接形式306.5 降液管的形式306.6 受液盘的设计306.7 塔节的设计306.8 塔体各部分高度设计316.9 塔体各开孔补强设计316.9.1开孔补强设计方法316.9.2开孔补强结构设计326.10塔体各接管设计（选型、尺寸、连接形式、是否补强）326.11塔体手孔及人孔的设计346.12. 除沫器的设计346.13. 支座设计34一、绪论1.1课程设计的目的课程设计是“化工原理”课程的一个总结
7、性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有 关先修课程的基础知识去解决某以设计任务的一次训练，在整个教学计划中起着培养学生 独立工作能力的重要作用，通过课程设计就以下几方面要求学生加强训练。（1）查阅资料选用公式和收集数据的能力。（2）树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作上的 劳动条件和环境保护的正确设计思路，在这种设计思路的指导下去分析和解决实际问 题的能力。（3）迅速准确的进行工程计算和计算机绘图的能力。12设计依据课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力、进料状况、加热方式及其热能 的利用。（1）操作压力精馏常在常压，加压或减压下进行，确定操作压力主要
8、是根据处理物料的性质，技术上 的可行性和经济上的合理性来考虑的。一般来说，常压精馏最为简单经济，若无聊无特殊要 求，应尽量在常压下操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可 以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当提操作压力还可以提 高塔德处理能力。所以我们采用塔顶压力为1.03atm进行操作。（2）进料状况进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料 温度不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。此外，泡点进料 时，精馏段和提馏的塔径相同，设计制造比较方便。（3）加热方式精馏塔通常设置再沸器，采用间接
9、蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为 某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，但在塔顶轻组分回收率一定时， 由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。（4）热能的利用 精馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有 5%左右被利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的。但其位能较低，不可能直接用 来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后在用于 加热釜液。1.3 设计内容及任务1.3.1设计题目乙醇精馏塔1.3.2设计任务及条件：要求：塔顶产品的乙醇含量不少于 90(质 量分率塔底残液的乙
10、醇含量不大于 0.5(质量分率)(1) 、进料含乙醇38.2%，其余为水(均为质量分数，下同)(2) 、生产乙醇含量不低于93.1%；(3) 、釜残液中乙醇含量不高于0.01%；(4) 、生产能力50000T/Y乙醇产品，年开工7200小时(5) 、操作条件：a、间接蒸汽加热；b、塔顶压力：1.03atm (绝对压强)c、进料热状态：泡 点进料；d、回流比：R=5 e、单板压降:75mm液注1.4设计内容：(1) 、流程的设计与说明；(2) 、塔板和塔径的计算；(3) 、塔盘结构的设计：a、浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；b、流体力学验算；c、塔板负荷性能图。(4) 、其它：a、加热蒸汽消耗量；b
11、、冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量1.5设计成果(1) 、设计说明书一份(2) 、A4设计图纸包括：流程图、精馏塔工艺条件图。:、塔的工艺计算2.1 工艺过程2.1.1 物料衡算WF=38.2% WD=93.1%WW=0.01%M 乙醇=46g/mo1M =18g/mol=0.19480.382 / 46XF=F 0.382 / 46 0.618 / 180.931/ 46XD= 0.931/46 + 0.069/18 =0.84080.0001/460.0001/46 + 0.9999/18=0.0000396n,D5000 x 103 x 0.931 5000 x 103 x 0.0697
12、200 x 46+7200 x 18=16.717kmol/hQ =Q +Q n,F n,D n,WQ X =Q X +Q X n,F F n,D D n,W W 由式可知Q =72.1804 kmol/hn,FQ =55.4634 kmol/hn,WF72.1804 kmol/hXf0.1948D16.717kmol/hXd0.8408W55.4634 kmol/hXw0.0000396表1物料衡算数据记录2.1.2S论及实际塔板数的确定乙醇水溶液的t-X-y图乙醇水溶液的y-x图10.90.80.70.6y 0.50.40.30.20.10一=i- J00.10.20.30.40.50.6
13、0.70.80.91xaxa)由相平衡方程式y= 厂，可得a= -1)1 + (a -1) xx( y -1)根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得:Y1=XD=0.8408Y=0.525FY =0.00035WX=0.830aD=1.0817X =0.1948=4.569X =0.0000396a =8.8411Ww平均相对挥发度的求取：a = 3a a a =站4.569x 1.0817x8.8411 = 3.522D F W精馏段的平均相对挥发度的求取：a1 =込作r佩济4569 = 2.312二 1.4353泡点进料：Rminx a(1 - x )D1 xFR - RX = min = minR +16Y = 0.545827 - 0.591422X + 0.002743 X = 0.1995 - R = 0.5941N - N .YmtnN + 2N =丄min ln ai ( x、/1-xln (-)(W1 - xxDW)-1 = 8.373N = 10.95所以理论塔板数为 N=11 块 确定适宜的进料板位置：在 89.085C下,二733827 -1 囂烈N =1 ln ( Xd )(1 - Xf ) -1 = 2.68min，1 ln a1 - x x1D FN -N1min.1 YN + 21由上式知 N1=3.84即第 4 层理论数为进料板b
